Сплавы для автомобильных кузовов сделают прочнее с помощью магнита

Среди многих отраслей автомобилестроение особенно зависит от разработки и поставок сплавов металлов с заданными характеристиками, но процесс их изготовления даже сейчас больше напоминает алхимию с постоянной чередой проб и ошибок, выбором наиболее удачного «рецепта» и его совершенствованием. Но теперь, как утверждают ученые, появился способ буквально управлять кристаллической решеткой сплавов во время ее формирования.

Суть разработки

Научная работа с описанием эксперимента и предложенным методом управления кристаллизацией сплавов опубликована в рецензируемом журнале Acta Materialia. Ее подготовила группа ученых из Бирмингемского университета, Великобритания. В ходе исследования наблюдалось остывание расплавленных слитков сплава алюминия с медью (45% по массе) в устройстве для синхротронной рентгеновской томографии. Источником излучения послужил крупнейший в Великобритании ускорительный комплекс Diamond Light Source.

Результатом эксперимента стала трехмерная картина кристаллизации сплава с разрешением около трех микрометров (размер вокселя — пикселя в 3D). То есть в одной точке итоговой модели находилось всего пара десятков тысяч отдельных атомов алюминия и меди. Во время остывания сплава ученые поэтапно наблюдали процесс кристаллизации. Сначала формировались небольшие Г-образные структуры размером несколько микрометров в поперечнике. Затем они становились больше похожими на букву U, а потом замыкались в трубку прямоугольного сечения. Из таких «кирпичиков» далее вырастали волокна кристаллической структуры сплава.

Но самое интересное, что скорость роста и форма этих «волокон» варьировалась не только в зависимости от скорости остывания сплава. Под действием сверхмощного магнитного поля интенсивностью до 0,5 тесла направление их закручивания менялось. Ученые наглядно продемонстрировали, что они могут управлять этим процессом. А следовательно, и свойствами получившегося материала. Кроме того, благодаря непосредственному наблюдению процесса кристаллизации удалось определить ключевые параметры процесса, определяющие минимальные размеры формирующихся в сплаве структур. А чем они меньше, тем выше предел прочности материала.

Данная работа базируется на более ранних экспериментах той же команды исследователей. Они разработали способ очистки алюминия от примесей железа за счет интенсивного магнитного поля и градиента температур. Он уже запатентован Бирмингемским университетом и его собирается внедрять компания Tandom Metallurgical Group на своих предприятиях по переработке металлов. Иными словами, скоро новый способ управления процессом кристаллизации сплавов тоже может найти свое место в промышленности. Руководитель описанного исследования, Бяо Цай (Biao Cai) планирует создать демонстратор технологии на базе своей экспериментальной установки до конца года. Когда он будет готов, университет предлагает металлургическим предприятиям сотрудничество для испытаний на работающих производственных линиях.

Автомобилестроение

Не надо объяснять, как много металлов и сплавов используется в автомобиле. Возможно, новая технология позволит создавать их под заказ быстрее и дешевле.